Влияние фуллерена на физиолого-биохимические параметры растений ячменя в гидропонной культуре

Изучены различия в ответной реакции на действие фуллерена растений ячменя (Hordeum vulgare L., сорт Якуб), выращенных в гидропонной культуре (в дистиллированной воде и в питательном растворе Кнопа) с добавлением фуллерена C₆₀ (10 или 50 мг/л). В течение вегетации в первом листе оценивали содержание хлорофилла, флавонолов и индекс азотного баланса (NBI). В конце эксперимента определяли относительную скорость потери воды (ОПВ) листьями, а также сухую массу корней и листьев.

Влияние фуллерена на физиолого-биохимические показатели растений ячменя зависело от концентрации данных наночастиц и наличия питательных элементов в среде культивирования. При добавлении 10 мг/л фуллерена все исследованные параметры были, как правило, на уровне контрольных значений. В то же время экспозиция с 50 мг/л фуллерена стимулировала снижение содержания хлорофилла и флавонолов в первом листе, увеличивала ОПВ листьями и замедляла рост растений ячменя, выращиваемых в воде. При внесении 50 мг/л фуллерена в раствор Кнопа содержание хлорофилла в первом листе возрастало, накопление флавонолов практически не менялось, более длительным было повышение NBI. При этом увеличивалась сухая масса листьев, а достоверных изменений ОПВ листьями и роста корня отмечено не было. Предполагается, что различия в чувствительности растений к фуллерену при их выращивании в воде и в питательном растворе Кнопа связаны, с одной стороны, с их анатомо-морфологическими и физиолого-биохимическими особенностями, включая активность механизмов детоксикации, с другой - с возможными изменением физико-химических свойств наночастиц в растворе солей, активацией доставки питательных элементов с помощью фуллерена и влиянием на процессы, обусловливающие замедление старения первого листа.

1. Юрин, В. М. Нанофитофизиология - одно из перспективных направлений современной биологии / В. М. Юрин, О. В. Молчан // Вес. Нац. акад. навук Беларусь Сер. бiял. навук. - 2015. - № 4. - С. 122-128.

2. Antibacterial and antiproliferative activity of cationic fullerene derivatives / T. Mashino [et al.] // Bioorg. Med. Chem. Lett. - 2003. - Vol. 13, N 24. - Р. 4395-4397. https://doi.org/10.1016/j.bmcl.2003.09.040

3. Husen, A. Carbon and fullerene nanomaterials in plant system / A. Husen, K. S. Siddiqi // J. Nanobiotechnol. - 2014. - Vol. 12, N 1. - Р. 16-26. https://doi.org/10.1186/1477-3155-12-16

4. Zaytseva, O. Carbon nanomaterials: production, impact on plant development, agricultural and environmental applications / O. Zaytseva, G. Neumann // Chem. Biol. Technol. Agric. - 2016. - Vol. 3, N 1. - Art. 17. https://doi.org/10.1186/s40538-016-0070-8

5. Multiwalled carbon nanotubes and C 60 fullerenes differentially impact the accumulation of weathered pesticides in four agricultural plants / R. de la Torre-Roche [et al.] // Environ. Sci. Technol. - 2013. - Vol. 47, N 21. - P. 12539-12547. https://doi.org/10.1021/es4034809

6. Ma, X. Fullerene nanoparticles affect the fate and uptake of trichloroethylene in phytoremediation systems / X. Ma, C. Wang // Environ. Eng. Sci. - 2010. - Vol. 27, N 11. - P. 989-992. https://doi.org/10.1089/ees.2010.0141

7. Effects of aqueous stable fullerene nanocrystal (nC60) on Scenedesmus obliquus: evaluation of the sub-lethal photosynthetic responses and inhibition mechanism / X. Tao [et al.] // Chemosphere. - 2015. - Vol. 122. - P. 162-167. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2014.11.035

8. Studies on the toxicity of an aqueous suspension of C60 nanoparticles using a bacterium (gen. Bacillus) and an aquatic plant (Lemna gibba) as in vitro model systems / S. M. A. Santos [et al.] // Aquat. Toxicol. - 2013. - Vol. 142-143. - P. 347-354. https://doi.org/10.1016/j.aquatox.2013.09.001

9. Phytotoxicity of nanoparticles to seed germination of plants / S. Kumar [et al.] // Int. J. Adv. Res. - 2015. - Vol. 3, N 3. - P. 854-865.

10. Nanobiotechnology can boost crop production and quality: fist evidence from increased plant biomass, fruit yield and phytomedicine content in bitter melon (Momordica charantia) / C. Kole [et al.] // BMC Biotechnol. - 2013. - Vol. 13, N 1. - Art. 37. https://doi.org/10.1186/1472-6750-13-37

11. Beuerle, F. Antioxidant properties of water-soluble fullerene derivatives / F. Beuerle, R. Lebovitz, A. Hirsch // Medicinal Chemistry and Pharmacological Potential of Fullerenes and Carbon Nanotubes/ eds. : F. Cataldo, T. Da Ros. - Dordrecht, 2008. - P. 51-78.

12. Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения всхожести : ГОСТ 12038-84 : введ. 01.07.86. - М. : Стандартинформ, 1985. - 29 c.

13. A new optical leaf-clip meter for simultaneous non-destructive assessment of leaf chlorophyll and epidermal flavonoids / Z. G. Cerovic [et al.] // Physiol. Plantarum. - 2012. - Vol. 146, N 3. - P. 251-260. https://doi.org/10.1111/j.1399-3054.2012.01639.x

14. Relationship of excised-leaf water loss rate and yield of durum wheat in diverse environment / J. M. Clarke [et al.] // Can. J. Plant Sci. - 1989. - Vol. 69, N 4. - P. 1057-1081. https://doi.org/10.4141/cjps89-130

15. Рокицкий, П. Ф. Биологическая статистика / П. Ф. Рокицкий. - Минск : Высш. школа, 1973. - 320 с.

16. Plant nanobionics approach to augment photosynthesis and biochemical sensing / J. P. Giraldo [et al.] // Nat. Mater. - 2014. - Vol. 13, N 4. - P. 400-408. https://doi.org/10.1038/nmat3890

17. Biomimetic strategies for solar energy conversion : a technical perspective / A. A. Boghossian [et al.] // Energy Environ. Sci. - 2011. - Vol. 4, N 10. - P. 3834-3843. https://doi.org/10.1039/c1ee01363g

18. High photo-electrochemical activity of thylakoid-carbon nanotube composites for photosynthetic energy conversion / J. O. Calkins [et al.] // Energy Environ. Sci. - 2013. - Vol. 6, N 6. - P. 1891-1900. https://doi.org/10.1039/c3ee40634b

19. Single-walled carbon nanotubes alter cytochrome c electron transfer and modulate mitochondrial function / X. Ma [et al.] // ACS Nano. - 2012. - Vol. 6, N 12. - P. 10486-10496. https://doi.org/10.1021/nn302457v

20. Application of nanoparticle antioxidants to enable hyperstable chloroplasts for solar energy harvesting / A. A. Boghos- sian [et al.] // Adv. Energy Mater. - 2013. - Vol. 3, N 7. - P. 881-893. https://doi.org/10.1002/aenm.201201014

21. Николаева, М. Г. Биология семян / М. Г. Николаева, И. В. Лянгузова, Л. М. Поздова. - СПб. : Рос. акад. наук, Ботан. ин-т им. В. А. Комарова, 1999. - 233 с.

22. Сытник, К. М. Физиология листа / К. М. Сытник, Л. И. Мусатенко, Т. Л. Богданова. - Киев : Наук. думка, 1978. - 392 с.

23. Запрометов, М. Н. Фенольные соединения. Распространение и метаболизм в растениях / М. Н. Запрометов. - М. : Наука, 1993. - 272 с.

24. Молчан, О. В. Влияние фуллеренола на прорастание семян, содержание фенольных соединений и их антирадикальную активность в проростках ячменя / О. В. Молчан, Л. В. Обуховская, В. Г. Реуцкий // Тр. БГУ. Физиоло¬гические, биохимические и молекулярные основы функционирования биосистем. - 2014. - Т. 9, ч. 1. - С. 56-61.

25. Влияние возрастных различий на реакцию растений ячменя на действие кадмия / Н. М. Казнина [и др.] // Физиология растений. - 2012. - Т. 59, № 1. - С. 74-79.

26. Dale, J. E. Growth and photosynthesis in the first leaf of barley. The effect of time of application of nitrogen / J. E. Dale // Ann. Bot. - 1972. - Vol. 36, N 5. - P. 967-979. https://doi.org/10.1093/oxfordjournals.aob.a084658

27. Araghi, G. S. Evaluation of four screening techniques for drought resistance and their relationship to yield reduction ratio in wheat / G. S. Araghi, M. T. Assad // Euphytica. - 1998. - Vol. 103. - P. 293-299. https://doi.org/10.1023/A:1018307111569

28. Келес, Ю. Рост и содержание ряда растворимых метаболитов у двух видов пшеницы, подвергнутых совместному действию нескольких стресс-факторов / Ю. Келес, И. Онсел // Физиология растений. - 2004. - Т. 51, N 2. - С. 228-233.

29. Dhanda, S. S. Inheritance of excised-leaf water loss and relative water content in bread wheat (Triticum aestivum) / S. S. Dhanda, G. S. Sethi // Euphytica. - 1998. - Vol. 104. - P. 39-47. https://doi.org/10.1023/A:1018644113378

30. Relationship of excised-leaf water loss rate and yield of durum wheat in diverse environment / J. M. Clarke [et al.] // Can. J. Plant Sci. - 1989. - Vol. 69, N 4. - P. 1057-1081. https://doi.org/10.4141/cjps89-130

31. Sairam, R. K. Oxidative stress and antioxidants in wheat cultivars: possible mechanism of water stress tolerance / R. K. Sairam, D. C. Saxena // J. Agron. Crop Sci. - 2000. - Vol. 184, N 1. - P. 55-61. https://doi.org/10.1046/j.1439-037x.2000.00358.x

32. Влияние засухи до и после зацветания растений нута на ряд физиологических параметров возможных критериев засухоустойчивости / А. Гунес [и др.] // Физиология растений. - 2008. - Т. 55, № 1. - С. 64-72.

33. Ронжина, Д. А. Листовые функциональные черты и биомасса растений ветландов в лесной и степной зонах / Д. А. Ронжина, Л. А. Иванова, Л. А. Иванов // Физиология растений. - 2019. - Т. 66, № 3. - С. 207-217.

34. Impact of carbon nanotube exposure to seeds of valuable crops / M. H. Lahiani [et al.] // ACS Appl. Mater. Interfaces. - 2013. - Vol. 5, N 16. - P. 7965-7973. https://doi.org/10.1021/am402052x

35. Carbon nanotubes as plant growth regulators: effects on tomato growth, reproductive system, and soil microbial community / M. V. Khodakovskaya [et al.] // Small. - 2013. - Vol. 9, N 1. - P. 115-123. https://doi.org/10.1002/smll.201201225

36. Multiwalled carbon nanotubes in alfalfa and wheat: toxicology and uptake / P. Miralles [et al.] // J. R. Soc. Interface. - 2012. - Vol. 9, N 77. - P. 3514-3527. https://doi.org/10.1098/rsif.2012.0535

37. Effects of functionalized and non functionalized single-walled carbon nanotubes on root elongation of select crop species / J. E. Canas [et al.] // Environ. Toxicol. Chem. - 2008. - Vol. 27, N 9. - P. 1922-1931. https://doi.Org/10.1897/08-117.1

38. Куперман, Ф. М. Ячмень / Ф. М. Куперман // Биология развития культурных растений : учеб. пособие / под ред. Ф. М. Куперман. - М., 1982. - С. 143-152.

39. Батыгин, Н. Ф. Онтогенез высших растений / Н. Ф. Батыгин. - М. : Агропромиздат, 1986. - 100 с.

40. Полевой, В. В. Физиология целостности растительного организма / В. В. Полевой, Т. Е. Билова, Ю. И. Шевцов // Физиология растений. - 2001. - Т. 48, № 4. - С. 631-643.

41. Мокроносов, А. Т. Интеграция функций роста и фотосинтеза / А. Т. Мокроносов // Физиология растений. - 1983. - Т. 30, вып. 5. - С. 868-880.

42. Семихатова, О. А. Оценка адаптационной способности растения на основании исследований темнового дыхания / О. А. Семихатова // Физиология растений. - 1998. - Т. 45, № 1. - С. 142-148.

43. Шматько, И. Г. Реакция растений на водный и высокотемпературный стрессы / И. Г. Шматько, И. А. Григорюк // Физиология и биохимия культурных растений. - 1992. - Т. 24, № 1. - С. 3-14.

44. Fellenberg, G. Developmental physiology / G. Fellenberg // Progress in Botany / Fortschritte der Botanik / eds. : H. Ellenberg [et al.] . - Berlin., 1976. - Vol. 38. - P. 167-186.